Załącznik 2a dr inż. AUTOREFERAT Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wydział Rolnictw i Biotechnologii Katedra Biogeochemii i Gleboznawstwa Pracownia Gleboznawstwa i Biochemii Bydgoszcz 2019
Spis treści I. Życiorys naukowy i przebieg pracy zawodowej..3 II. Opis osiągnięcia naukowo-badawczego.... 4 II.1. Tytuł osiągnięcia naukowo-badawczego.... 4 II.2. Wykaz publikacji stanowiących osiągnięcie naukowo-badawcze.. 4 II.3. Omówienie celu naukowego wyżej wymienionych prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania.... 5 II.3.1.Wprowadzenie i cel badań... 5 II.3.2. Analiza wyników badań... 9 II.3.3. Podsumowanie wyników prac dokumentujących osiągnięcie naukowe... 21 II.3.4. Bibliografia... 21 III. Omówienie pozostałych osiągnięć badawczo-naukowych... 24 IV. Zestawienie dorobku naukowego z uwzględnieniem danych nauko metrycznych... 33 2
I. Życiorys naukowy i przebieg pracy zawodowej Imię i nazwisko: Posiadane dyplomy i stopnie naukowe - z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania: 1986-1991 4-letnie Liceum Ogólnokształcące w Bydgoszczy (klasa o profilu biologicznochemicznym). 1991-1996 5-letnie, jednolite studia magisterskie, realizowane na kierunku Rolnictwo Wydziału Rolniczego (obecnie Wydziału Rolnictwa i Biotechnologii), Akademii Techniczno-Rolniczej (obecnie Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy) w Bydgoszczy. Praca magisterska pt. Oddziaływanie mykoflory glebowej na sprawców zgorzeli siewek i zgnilizny kopcowej buraka cukrowego, która została wykonana w Katedrze Mikrobiologii pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Wojciecha Piotrowskiego. 1995-1996 kurs pedagogiczny w Instytucie Nauk Humanistycznych i Ekonomicznych Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy. 2000-2004 4-letnie studia doktoranckie nauk rolniczych w dyscyplinie agronomia, specjalność: podstawy produkcji roślinnej i agrotechnika 08.07.2005 stopień doktora nauk rolniczych w zakresie agronomii nadany uchwałą Rady Wydziału Rolniczego, Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy. Rozprawa doktorska pt.: Wpływ nawożenia na zawartość siarki i jej frakcji oraz aktywność wybranych enzymów uczestniczących w przemianach tego biopierwiastka w glebie została przygotowana w Katedrze Biochemii pod kierunkiem prof. dra hab. Jana Kopera. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych: 29.09.1997- asystent w Katedrze Biochemii, Wydział Rolniczy, Akademia Techniczno- Rolnicza w Bydgoszczy. 01.09.2006 do 31.12.2017 adiunkt w Zakładzie Biochemii, Katedry Gleboznawstwa i Ochrony Gleb, Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, Uniwersytet Technologiczno- Przyrodniczy w Bydgoszczy, od 01.01.2018 do chwili obecnej adiunkt w Katedrze Biogeochemii i Gleboznawstwa, Pracowni Gleboznawstwa i Biochemii, Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy. 3
II. Opis osiągnięcia naukowo-badawczego Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) II.1. Tytuł osiągnięcia naukowo-badawczego: Analiza zawartości bioprzyswajalnej formy siarki oraz aktywności enzymów katalizujących jej przemiany w glebie po zastosowaniu zróżnicowanych zabiegów agrotechnicznych II.2. Wykaz publikacji stanowiących osiągnięcie naukowo-badawcze: 1. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J., Koper J. 2013: Arylsulphatase activity and the content of total sulphur and its forms under the influence of fertilisation with nitrogen and other macroelements. Journal of Elementology 18(3): 437-447, http://org.doi/10.5601/jelem.2013.18.3.08. Puntacja MNiSW 15 pkt; Impact Factor 2013/2014 ISI 0,643, udział 65%, autor korespondencyjny 2. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J. 2014: The content of carbon, nitrogen, phosphorus and sulphur in soil against the activity of selected hydrolases as affected by crop rotation and fertilisation. Zemdirbyste-Agriculture, 101, 4: 367-372. http://org.doi/10.13080/z-a.2014.101.046 20 pkt wg MNiSW; Impact Factor 2013/2014 0,420 wg ISI, udział 70%, autor korespondencyjny 3. Siwik Ziomek A., Figas A., Rolbiecki R. 2015. Influence of irrigation on the sulphur content and soil enzymes activity under Silphium perfoliatum L. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities 18(3), #03. Available Online: http://www.ejpau.media.pl/volume18/issue3/art-03.html Puntacja MNiSW 12 pkt; udział 70%, autor korespondencyjny 4
4. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J., Koper J. 2016: Arylsulphatase activity and sulphate content in relation to crop rotation and fertilization of soil. International Agrophysics, 30: 1-9. http://org.doi/10.1515/intag-2015-0098 25 pkt wg MNiSW, IF 2015 0,967 wg ISI udział 85%, autor korespondencyjny 5. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J., Koper J. 2016. Sulphur and phosphorus content as well as the activity of hydrolases in soil fertilised with macroelements. Journal of Elementology 21(3): 847-858. http://org.doi/10.5601/jelem.2015.20.3.982 15 pkt wg MNiSW; IF 0,641 wg ISI 2013/2014, udział 55%, autor korespondencyjny 6. Siwik-Ziomek A., Szczepanek M. 2018: Soil enzyme activity and sulphur uptake by oilseed rape depending on fertilization and biostimulant application, Acta Agriculturae Scandinavica, Section B Soil and Plant Science, 68,1: 50-56. http://org.doi/10.1080/09064710.2017.1358762 20 pkt wg MNiSW, IF 2017/2018 0.894 wg ISI; udział 70% autor korespondencyjny Łączna wartość bibliometryczna publikacji stanowiących osiągnięcie naukowe według ostatniej dostępnej punktacji MNiSW wynosi: 107 punktów. Sumaryczny Impact Factor w/w publikacji wg International Scientific Institute wynosi: 2,565. Oświadczenia współautorów prac wraz z określeniem ich indywidualnego wkładu pracy stanowi załącznik 4. II.3. Omówienie celu naukowego wyżej wymienionych prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania II.3.1. Wprowadzenie i cel badań Siarka jest niezbędnym makroelementem, który bierze udział we wzroście i rozwoju roślin. Jest coraz częściej uznawana po azocie, fosforze i potasie za czwarty główny składnik pokarmowy roślin (Parakhia i in.; 2016). Duże znaczenie siarki wynika z jej udziału w budowę aminokwasów siarkowych (metioniny i cysteiny), a także ferredoksyny i witamin (biotyna, tiamina)(saito; 2000). Ten składnik odżywczy wpływa na wartość biologiczną białek (Marska i Wróbel; 2000) oraz strukturę enzymów (De Kok i in.; 2003). Bierze udział w procesach powstawania węglowodanów 5
i tłuszczów, uczestniczy w fotosyntezie, a także w syntezie chlorofilu. Związki tego pierwiastka są kluczowymi w wielu procesach komórkowych, takich jak: reakcje redoks, detoksykacja metali ciężkich czy ksenobiotyków (Dubuis i in; 2005). Zapotrzebowanie roślin na siarkę zależy przede wszystkim od gatunku rośliny oraz od wielkości uzyskiwanego plonu. Największych jej ilości (40-80 kg S ha -1 ) wymagają rośliny z rodziny kapustowatych i liliowatych. Średnie zapotrzebowanie na siarkę (30-40 kg S ha -1 ) wykazują rośliny motylkowate, natomiast zboża mają najmniejsze zapotrzebowanie na ten składnik (15-25 kg S ha - 1 ) (Motowicka-Terelak i in.; 1998). Przemianom siarki w glebie uprawnej, pomimo istotnej jej roli w rozwoju roślin, historycznie nie poświęcono zbyt wiele uwagi z powodu dużej podaży z atmosfery i komercyjnych nawozów. Badania siarki przez wiele lat przeprowadzano na skutek negatywnego wpływu kwaśnych opadów przyczyniających się do skażenia środowiska (McGrath i in.; 2003, Morris; 2007, Terelak i in.; 1997). Jednak w ostatnich latach sytuacja zmieniła się diametralnie. Na początku XXI wieku niedobór siarki uznano za ograniczenie w produkcji roślin na całym świecie (Eriksen i in.; 2004, Mascaggani i in.; 2008, Scherer; 2009). Za główne przyczyny takiego stanu uznano stałą i konsekwentną redukcję emisji siarki z różnych źródeł przemysłowych, coraz częstsze stosowanie wysokoprocentowych nawozów o niskiej zawartości siarki, a także ograniczenie stosowania fungicydów i pestycydów zawierających ten pierwiastek (Eriksen i in.; 2004) oraz zmniejszenie produkcji obornika. Do takiego stanu przyczynia się także odprowadzanie siarki z plonem oraz straty wynikające z wymywania siarki siarczanowej w głąb gleby, które mogą wynosić od 30 kg do 130 kg ha- 1 rok -1, w zależności od typu gleby i warunków atmosferycznych (Filipek-Mazur i in.; 2018). Istnieje zatem ryzyko jej niedoboru w uprawach roślin, a zwłaszcza tych, o dużym zapotrzebowaniu na ten składnik. Zaistniała w związku z tym konieczność badania zawartości związków siarki w glebach uprawnych ze względu na jej limitujący wpływ na ilość i jakość plonów (Boreczek; 2001, Förster i in.; 2012, Grzebisz i Przygocka-Cyna; 2003, Giweta i in.; 2014, Pietrzak 2015). Niedobór siarki nie tylko obniża wydajność i jakość plonów (Barczak; 2010, McGrath i Zhao; 1996, Podleśna i in.; 3003), ale ma również wpływ na środowisko (Scherer; 2009). W wielu europejskich uprawach efektywność zastosowania azotu w nawożeniu zmniejszyła się, gdy dawki siarki było niewystarczające, co doprowadziło do znaczącego zwiększenie strat azotu poprzez ulatnianie i wymywanie (Scherer; 2009). Haneklaus i in. (2008) obliczyli, że każdy deficyt siarki w ilości jednego kilograma powoduje straty 15 kg N dla środowiska. Do oceny obiegu związków w glebie, szczególnie cenne, są badania przeprowadzane w oparciu o wieloletnie eksperymenty nawozowe, które zazwyczaj służą do badania przemian takich 6
makroskładników jak: azot, węgiel, fosfor i potas. Brakuje kompleksowych danych dotyczących określenia wpływu stosowania nawożenia, w tym także naturalnego, w uprawie roślin w zmianowaniach, zwłaszcza wieloletniego oddziaływania, na zawartość siarczanów (VI) w glebach. Jony te ze względu na swoją rozpuszczalność są bezpośrednim źródłem siarki dla roślin. W większości gleb użytkowanych rolniczo w Polsce ich zawartość nie przekracza 25mg. kg -1 gleby a ponad 70% powierzchni użytków charakteryzuje się zawartością siarki w granicach 5-20 mg. kg - 1 (Lipiński i in.; 2003). Na zawartość siarczanów (VI) w glebie ma wpływ skała macierzysta, odczyn gleby, imisja SO 2, nawożenia a przede wszystkim proces mineralizacji substancji organicznej gleby. W skutek jej wyczerpywania uległa między innymi obniżeniu zawartość siarki (Tisdale i in.; 1984). Zwiększenie zawartości substancji organicznej w glebie umożliwia systematyczne stosowanie obornika. Nawóz ten wpływa korzystnie na strukturę roli, właściwości chemiczne, powietrznowodne, sorpcyjne i biologiczne gleby (Giemza-Mikoda i in., 2011, ). Obornik zawiera siarkę w ilości od 0,9 do 1,2 kg ha -1 i ocenia się, że przeciętnie 40% stanowią organiczne i nieorganiczne siarczany, kolejne 40% - siarka występująca w połączeniach organicznych, natomiast 20% to siarczki (Kaczor i Zuzańska; 2009). Wyniki z wieloletniego doświadczeniu w Rothamsted w Wielkiej Brytanii wykazały, że ponad 100 - letnie stosowanie obornika spowodowało wzrost zawartości siarki organicznej w glebie (McLauchlan; 2006). Eriksen i Mortensen (1999) zauważyli, że długotrwałe nawożenie obornikiem oraz aplikacja NPK z dodatkiem siarki zwiększała zawartość organicznej siarki w glebie piaszczystej w porównaniu do zawartości uzyskanej z obiektu kontrolnego. Knights i in. (2001) udokumentowali, że 150-letnim stosowanie nawożenia mineralnego N, P, K, Mg oraz S nie wpływało istotnie na wzrost zawartości siarki ogółem. Natomiast wieloletnie stosowanie obornika wpłynęło na zwiększenie zawartości siarki organicznej. Znaczenie materii organicznej w glebie jest ważne z punktu zasobności gleby w siarkę. Bowiem główną formą wiązania siarki w glebie jest siarka organiczna (S org), która stanowi do 95% całkowitej jej zawartości (Scherer; 2009). Występuje głównie w dwóch pierwotnych formach, w postaci siarczanów estrowych (-C-O-SO 2-O oraz -C-N-SO 2-O) i wiązań węglowych (C-S). Organiczne związki siarki są w dużej mierze mało mobilne, natomiast nieorganiczna jej forma jest bardziej labilna i stanowi główną formą dostępną dla roślin (McGil i Cole; 1981, Scherer; 2009). W glebie zachodzą procesy mineralizacji organicznych związków siarki na drodze biologicznej (uwalnianie S związanej z C przez mikroorganizmy) oraz biochemicznej (z udziałem enzymów) (Scherer; 2009). Kluczowe funkcje biochemiczne w procesie rozkładu materii organicznej w glebie pełnią enzymy glebowe. Ich aktywność jest wskaźnikiem zmian poziomu intensywności procesów życiowych 7
i zwykle skorelowana jest z jej właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Proces mineralizacji związków organicznych zawierających siarkę i ich przekształcenie w formy biodostępne jest katalizowane przez specyficzne enzymy (Gharmakher i in.; 2009). Arylosulfataza (AR) (EC 3.1.6.1.) jest enzymem katalizującym hydrolizę aromatycznych estrów siarczanowych (CO-SO - 3 ) gdzie produktami są fenole (R-OH) i siarczany (SO 2-4 ). W glebie estry te stanowią znacząca ilość i mieszczą się one w zakresie od 25,3 do 93,1% całkowitej zawartości związków organicznych siarki w glebie. Arylosulfataza bierze udział w procesach mineralizowania siarki i udostępniania jej roślinom (Fitzgerald; 1976) i dlatego może być czułym wskaźnikiem procesu mineralizacji siarki w glebie. Hydrolaza ta występuje w roślinach, grzybach, bakteriach i zwierzętach, a mikroorganizmy są uważane za główne źródło tego enzymu w glebie (Fitzgerald, 1976; Germida i in.; 1992). Natomiast rodanaza (RD) (EC 2.8.1.1) katalizuje reakcję pośrednią utleniania tiosiarczanu do siarczanu (IV) (S 2O 2-3 SO 2-3 ) podczas utleniania siarki elementarnej w glebie (Deng i Dick; 1990). Według Germida i in. (1992) transferaza to odgrywa ważną rolę w cyklu S elementarnej i informuje o jej przemianach w glebie. Nawożenie organiczne wpływa zazwyczaj na zwiększenie aktywności enzymów (Garcia-Ruiz i in., 2008;), ale aktywność poszczególnych enzymów może się zmieniać w zależności od rodzaju nawożenia, dostępności składników odżywczych, a także innych czynników, takich jak rodzaj gleby i jej właściwości (Acosta-Marténe i in., 2007; Sinsabaugh i in., 2008). Z badań literaturowych wynika, ze nie wykazano jednoznacznej tendencji zmian aktywności enzymów w glebie, zwłaszcza w zależności od oddziaływania wieloletniego nawożenia mineralno-naturalnego stosowanego w uprawie roślin w zmianowaniu wzbogacającym glebę w materię organiczną. Badania nad aktywnością enzymów glebowych mogą być jednym z najbardziej odpowiednich działań, które pośrednio mogą wpłynąć na poprawę wzrostu roślin, a także poznanie i utrzymanie równowagi biologicznej środowiska glebowego. Wpływ wilgotności gleby, podstawowego parametru wpływającego na wzrost i rozwój roślin oraz ilość i aktywność biomasy drobnoustrojów wywołuje zmiany aktywności enzymatycznej (Freeman i in.; 1996). Zmniejszenie wilgotności gleby wpływa na obniżenie aktywności ureazy, proteazy i ß- glukozydazy w glebie (Sardans i Penuelas; 2005). Natomiast obfite opady atmosferyczne mogą pobudzać aktywność enzymów wewnątrzkomórkowych w glebie poprzez zwiększenie dyfuzji enzymów i substratów (Allison i Vitousek; 2005). Deng and Dick (1990) podali, że reakcja aktywności rodanazy na zmianę zawartości wody zależy od typu gleby. Podobnie, Ray i in. (1985) wykazały 2,5-6-krotny wzrost aktywności rodanazy w glebie kwaśnej po powodzi, ale bez zmian w zalanej glebie aluwialnej. W literaturze przedmiotu brakuje jednak kompleksowej oceny 8
nawadniania kroplowego w kontekście określenia aktywności arylosulfatazy, rodanazy i siarki siarczanowej (VI) w glebie spod uprawy rożnika przerośniętego. W związku z powyższym celem badań cyklu publikacji powiązanych monotematycznie, które stanowią osiągnięcie naukowe, było oszacowanie możliwości wykorzystania aktywności arylosulfatazy oraz rodanazy jako wskaźników informujących o kierunku przemian i zawartości siarki przyswajalnej dla roślin w środowisku glebowym pod wpływem zabiegów agrotechnicznych stosowanych w uprawie roślin. Cel badań zrealizowano w oparciu o następujące cele szczegółowe: określenie zmian zawartości przyswajalnej formy siarki i aktywności arylosulfatazy w glebie płowej w zależności od wieloletniego stosowania obornika i azotu oraz uprawy roślin w zmianowaniu; wpływ stosowanego w uprawie zbóż (kukurydza, jęczmień jary, pszenica ozima) nawożenia fosforem, potasem, wapniem, magnezem oraz siarką na tle zróżnicowanych dawek azotu na zawartość siarczanów (VI) oraz aktywność arylosulfatazy w warunkach gleby lekkiej; ocena stosowania nawadniania kroplowego w uprawie rożnika przerośniętego (Silphium prefoliatum L.) w aspekcie aktywności arylosulfatazy i rodanazy oraz zawartości siarki w czarnej ziemi; analiza stosowania nawożenia mineralnego, biostymulatora, siarki elementarnej w kontekście aktywności arylosulfatazy, rodanazy oraz zawartości siarczanów (VI) w glebie i ich pobrania przez rzepak. II.3.2. Analiza wyników badań Szczegółowy cel badań 1: Określenie zmian zawartości przyswajalnej formy siarki i aktywności arylosulfatazy w zależności od wieloletniego stosowania obornika i azotu oraz uprawy roślin w zmianowaniu. Wyniki badań na ten temat zostały ogłoszone w pracach (2, 4 umieszczone w osiągnięciu naukowo-badawczym): The content of carbon, nitrogen, phosphorus and sulphur in soil against the activity of selected hydrolases as affected by crop rotation and fertilisation. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J. 2014: Zemdirbyste-Agriculture, 101, 4: 367-372. 9
Arylsulphatase activity and sulphate content in relation to crop rotation and fertilization of Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J., Koper J. 2016: International Agrophysics, 30: 1-9. soil. Ten szczegółowy cel był realizowany w ramach badań prowadzonych na wieloletnim doświadczeniu polowym zlokalizowanym na terenie Stacji Doświadczalnej Rolniczej w Grabowie nad Wisłą (51 21 N; 21 40 E), na w warunkach glebie płowej typowej. Doświadczenie założono w 1980 r metodą split - plot, gdzie pierwszym czynnikiem był rodzaj 4-letniego zmianowania: A uznany za zubożający glebę w próchnicę (ziemniak, pszenica ozima, jęczmień jary, kukurydza) oraz B - uważany za wzbogacający glebę w materię organiczną (ziemniak, pszenica i gorczyca biała, jęczmień jary i wsiewka trawy, czerwona koniczyna i kostrzewa łąkowa). Czynnikiem II było nawożenie obornikiem bydlęcym w następujących dawkach: 0, 20, 40 i 60 t ha - 1 co cztery lata pod ziemniaki. Czynnikiem III było wzrastające nawożenie azotem w formie saletry amonowej (34% N) w dawkach: N 0, N 1, N 2, N 3. Dawki nawożenia azotem były zróżnicowane w zależności od uprawianej rośliny. Przeprowadzona analiza wariancji wykazała istotny wpływ zastosowanego nawożenia na zmiany zawartości węgla związków organicznych (TOC), azotu ogółem (TN), siarczanów (VI) oraz aktywność arylosulfatazy w badanej glebie. Zawartość TOC była większa w glebie na której zastosowano zmianowanie wzbogacające glebę w materię organiczną w porównaniu do zawartości uzyskanej w zmianowaniu zubożającym glebę w materię organiczną. Natomiast największy przyrost zawartości TOC stwierdzono także po zastosowaniu obornika w ilości 60 t. ha -1, w stosunku do zawartości określonej w glebie, gdzie nie stosowano nawożenia. Zawartość azotu ogółem w glebie była największa po aplikacji wyższych dawek azotu (N 2 i N 3). Wykazano, że uprawa roślin w zmianowaniu wzbogacającym glebę w materię organiczną wpływała na rozszerzenie stosunku C:N. Udokumentowano, że zawartość siarczanów (VI) mieściła się w szerokim przedziale od 8,053 do 23,187 mg. kg -1. Jest to ilość charakterystyczna dla większości gleb użytkowanych rolniczo w Polsce. Wskazano również, że po zastosowaniu obornika w dawce 60 t ha -1 zawartość tych jonów była największa w glebie. Melero i in. (2011) stwierdzili, że wieloletnie nawożenie obornikiem rzeczywiście zaopatruje rośliny w siarkę, ponieważ tworzy materię organiczną gleby, która zawiera siarkę organiczną, które ulegają biologicznej i biochemicznej mineralizacji. Także według Rutkowskiej i in. (2009) obornik jest istotnym źródłem siarki w glebie i odgrywa znaczącą rolę w stabilizacji glebowych zasobów przyswajalnych form siarki. Odnotowano niską zawartość siarki dostępnej dla roślin (<10 mg. kg -1 ) w glebie pobranej w lipcu i sierpniu spod płodozmianu wzbogacającego glebę w materię organiczną. Wykazano, że uprawa 10
koniczyny z trawami, ze względu na potrzeby pokarmowe w stosunku do siarki roślin z rodziny bobowatych (Fabacea), wymaga wzbogacenia podstawowego nawożenia NPK o 15 kg S. ha -1 (Lipiński in. 2003). Siarka siarczanowa (VI) odgrywa znaczną rolę w uprawie roślin z rodziny bobowatych, uczestniczy w syntezie białka, a także jest wykorzystywana do symbiotycznego wiązania azotu. W wyniku deficytu siarki rośliny te produkują białko o niższej wartości biologicznej (Scherer; 2008). Wykazano wyższą aktywność arylosulfatazy w glebie spod płodozmianu wzbogacającego w materię organiczną. Rośliny bobowate wiążą wolny azot z powietrza w glebie, korzystnie wpływają na strukturę gleby, ponadto pozostają po nich zróżnicowane wydzieliny i resztki roślinne, które stymulują aktywność drobnoustrojów, prowadząc do wzrostu biomasy drobnoustrojów i aktywności enzymów (Peoples i Baldock 2001). Większa aktywność hydrolazy w zmianowaniu wzbogacającym glebę w materię organiczną potwierdza, że aktywność enzymu determinowana jest gatunkiem uprawianych roślin i mogą one wpływać na dynamikę siarki siarczanowej w glebie poprzez enzymy wydzielane przez korzenie. Zatem założyć można, że nie tylko mikroorganizmy, ale także rośliny, aktywnie reagują wytwarzając i wydzielając sulfatazy w celu wykorzystania estrów siarczanu ze związków organicznych siarki w glebie. Według Cregut i in; (2009) aktywność tego enzymu wzrasta w glebie wraz ze wzrostem wymagań roślin do siarki. Zauważono również, że zwiększające się dawki obornika zwiększały aktywność arylosulfatazy. Nie wykazano natomiast kierunkowych tendencji zmian aktywności arylosulfatazy pod wpływem badanych dawek azotu. Stwierdzono natomiast wzrost aktywności tej hydrolazy w wyniku interakcji obornika i azotu w drugim roku po zastosowaniu nawozu naturalnego. Nawozy naturalne mogą zawierać pewne enzymy (Martens i in.; 1992). Stymulacja aktywności enzymów glebowych wykrywanych po dodaniu obornika jest prawdopodobnie bardziej związana z dostarczeniem składników odżywczych i ze zwiększonym rozwojem mikroorganizmów niż z obecnością tych nowo dodanych enzymów. Perucci (1992) stwierdził, że w glebie po wprowadzeniu materii organicznej aktywność enzymów była istotnie większa w ciągu 30 dni po zastosowaniu nawozu, a przez następne 3 lata obserwowano wyższą ich aktywność w porównaniu do obiektów kontrolnych. Obliczono współczynniki korelacji pomiędzy aktywnością badanego enzymu a zawartością węgla organicznego (r=0,430 dla zmianowania A i r=0,580 dla zmianowania B; p 0,05), aktywnością hydrolazy i azotu ogółem (r=0,440 dla zmianowania A i r=0,470 dla zmianowania B; p 0,05) oraz zawartością siarki siarczanowej (r=0,620 dla zmianowania B; p 0,05), które świadczą o tym, 11
że arylosulfataza może być wskaźnikiem mineralizacji związków organicznych zawierających siarkę. Szczegółowy cel badań 2: Wpływ stosowanego w uprawie zbóż (kukurydza, jęczmień jary, pszenica ozima) nawożenia fosforem, potasem, wapniem, magnezem oraz siarką na tle zróżnicowanych dawek azotu na zawartość siarczanów (VI) oraz aktywność arylosulfatazy w warunkach gleby lekkiej. Wyniki badań na ten temat zostały ogłoszone w pracach (1,5 umieszczone w osiągnięciu naukowo-badawczym): Arylsulphatase activity and the content of total sulphur and its forms under the influence of fertilisation with nitrogen and other macroelements. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J., Koper J. 2013: Journal of Elementology 18(3): 437-447, Sulphur and phosphorus content as well as the activity of hydrolases in soil fertilised with macroelements. Siwik-Ziomek A., Lemanowicz J., Koper J. 2016. Journal of Elementology 21(3): 847-858. Cel ten realizowano poprzez przeprowadzenie badań w oparciu o wieloletni eksperyment nawozowy zlokalizowany w Stacji Doświadczalnej Rolniczej w Grabowie nad Wisłą (51 21 N; 21 40 E) założonego w 1980 r. przez Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa (IUNG) w Puławach. Pobraną glebę zakwalifikowano do podtypu gleb płowych typowych i kompleksu żytniego bardzo dobrego. Doświadczenie prowadzone było w czteroletnim zmianowaniu: pszenica ozima, kukurydza na ziarno, jęczmień jary, rzepak ozimy. Eksperyment obejmował nawożenie składnikami mineralnymi P, K, Ca, Mg i S przy zwiększającej się dawce azotu (N 0, N 1, N 2, N 3, N 4, N 5). Dawki nawożenia azotem były zróżnicowane w zależności od uprawianej rośliny. Zastosowano nawożenie: P-30,5 kg P ha -1, K 116,2 kg K ha -1, Ca - 143 kg Ca ha -1, Mg 42,2 kg Mg ha -1 i 20 kg S ha -1 w następujących wariantach: 1. (P, K, Mg, Ca, S); 2. (- K, Mg, Ca, S); 3. (P,-, Mg, Ca, S); 4. (P, K, -, Ca, S); 5. (P, K, Mg, -, S); 6. (P, K, Mg, Ca, -). Gleba do badań w została pobrana spod uprawy kukurydzy oraz pszenicy i jęczmienia jarego. Wyniki badań potwierdziły, że stosowanie tylko nawożenia mineralnego, w tym wysokich dawek azotu przy jednoczesnym braku wapnowania, decydowało o odczynie badanej gleby, który zakwalifikować można od kwaśnego poprzez słabo kwaśny do obojętnego. Odczyn gleby determinuje zawartość siarki bioprzyswajalnej. W glebach o wyższych wartościach ph uwalniane się większe ilości siarki z uwagi na szybkość rozkładu materii organicznej, natomiast przy niższych następuje zwiększenie adsorpcji siarczanów (VI). 12
Stwierdzono istotnie największą zawartość siarki ogółem i organicznej po aplikacji najwyższej dawki azotu (200 kg N. ha -1 ) w glebie spod uprawy kukurydzy. Zboża zaliczane są do grupy roślin o niskim potrzebach w stosunku do siarki (Lipiński i in.; 2003). Uzyskane wyniki moich badań wskazują, że we współczesnych ich uprawach należałoby uwzględnić siarkę w planowaniu nawozowym. Wynika to z zawartości siarki siarczanowej (VI) w glebie spod uprawy tych gatunków. Wykazano, że na podstawie zawartości tych jonów można badane gleby zakwalifikować odpowiednio do gleb o średniej (kukurydza i jęczmień jary) i niskiej (pszenica ozima) zasobności w siarkę. Według zaleceń nawozowych (Lipiński in.; 2003), w celu zapewnienia wysokiego i dobrego jakościowo plonu w nawożeniu mineralnym należy uwzględnić siarkę w ilości: w przypadku uprawy kukurydzy 55 kg S ha -1 ; jęczmienia jarego 10 kg S ha -1 oraz dla pszenicy 15 kg S ha -1. W badaniach wykazano także wpływ zastosowanych makroskładników na zawartość siarczanów w glebie. Największą ilość frakcji siarki bioprzyswajalnej w glebie spod uprawy zbóż stwierdzono po zastosowaniu P, K, i S ale bez aplikacji Mg, lub Ca. Natomiast najniższą zawartość siarczanów w glebie pobranej z obiektów, gdzie nie stosowano P (w uprawie kukurydzy) oraz bez zastosowania K (w uprawie pozostałych zbóż). Potwierdza to prawidłowość, że składniki pokarmowe są efektywnie pobierane przez rośliny przy stosowaniu ich w proporcji dostosowanej do potrzeb pokarmowych. Nadmiar jednego ze składników mineralnych może spowodować lub zaostrzyć niedobór innych, nawet przy optymalnej ich zawartości w glebie. Niezrównoważone nawożenie przyczynia się do zakłócenia równowagi jonowej co przełożyć się może na niekorzystne zmiany w ich składzie chemicznym a nawet spadku plonu. Brodowska i Kaczor (2007) wykazali, że wzrost stężenia jonów wapnia i magnezu w kompleksie sorpcyjnym gleby może przyczynić się do ograniczenia pobierania siarki przez rośliny. Zjawisko to wytłumaczyli tym, że część zastosowanej siarki w obecności jonów Ca 2+ przechodzi w trudno rozpuszczalny uwodniony siarczan wapnia (gips).w badaniach Podleśnej (2004) wykazano, że nawożenie siarką powoduje zmiany w składzie roślin. Okazało się, że zastosowanie siarki zwiększało koncentrację azotu i wapnia w rzepaku oraz w mniejszym stopniu potasu i magnezu. Natomiast zawartość fosforu zmniejszała się lub pozostawała niezależna od zastosowanej siarki. W badaniach własnych potwierdzono także wpływ nawożenia azotem na zawartość siarczanów (VI). Wykazano że po stosowaniu wzrastających dawek azotu następowało zmniejszenie zawartości siarki przyswajalnej dla roślin. Największe ilości tego jonu stwierdzono w glebie kontrolnej (N 0), spod uprawy pszenicy oraz kukurydzy jak również po aplikacji najniższej dawki tego makroskładnika (N 1) w przypadku uprawy jęczmienia. Po zastosowaniu największej dawki N 5 zawartość siarki była niższa o 24% w uprawie jęczmienia i 10% w uprawie pszenicy w porównaniu 13
do obiektów bez stosowania azotu. Wynika to zapewne ze zwiększonego pobrania siarki przy wyższym pobraniu azotu przez zboża (Salvagiotti i in.; 2009). Zasadniczym osiągnięciem tej części mojej pracy była ocena wpływu zastosowanego nawożenia na aktywność arylosulfatazy w glebie płowej spod uprawy zbóż. Najwyższą aktywność badanej hydrolazy stwierdzono w glebie spod uprawy kukurydzy po zastosowaniu azotu w dawce 100 kg N. ha -1. Największą aktywność arylosulfatazy spod uprawy jęczmienia, jak i pszenicy stwierdzono w glebie, gdzie nie stosowano azotu (N 0). Różnica ta wynosiła odpowiednio 13% i 16%, w porównaniu do aktywności po zastosowaniu najwyższej dawki nawozu azotowego (N 5). Wykazano, że w glebie spod pszenicy aktywność arylosulfatazy była o 14% większa niż w uprawie jęczmienia jarego, niezależnie od zastosowanego nawożenia. Wynika to prawdopodobnie z tego, że w glebie z uprawy pszenicy stwierdzono prawie 16% mniejszą zawartość siarczanów. Niskie 2- poziomy SO 4 pobudzają mikroorganizmy glebowe do wytwarzania sulfataz lub aktywacji tych enzymów. Podobne tendencje wykazano w niniejszej pracy. Okazało się, że aktywność arylosulfatazy w glebie, zarówno spod uprawy pszenicy, jak i jęczmienia jarego była największa, gdzie nie stosowano nawożenia siarką. Szczegółowy cel badań 3: Wpływ nawadniania kroplowego w uprawie rożnika przerośniętego (Silphium prefoliatum L.) na aktywność arylosulfatazy i rodanazy oraz zawartość siarki w czarnej ziemi. Wyniki badań na ten temat zostały ogłoszone w publikacji (3 umieszczonej w osiągnięciu naukowo-badawczym): Influence of irrigation on the sulphur content and soil enzymes activity under Silphium perfoliatum L. Siwik-Ziomek A., Figas A., Rolbiecki R. 2015. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities 18(3), #03. W ramach omawianego obszaru naukowego badano wpływ nawadniania kroplowego na zawartość siarczanów (VI) oraz aktywność enzymów arylosulfatazy i rodanazy w czarnych ziemiach wytworzonych z piasku aluwialnego, o niskiej zdolności zatrzymywania wody. Nawadnianie zaplanowano zgodnie ze wskazaniami tensjometrycznymi i przeprowadzono za pomocą linii kroplowej "T-Tape" w doświadczeniu zlokalizowanym w Kruszynie Krajeńskim. Rośliną testową był rożnik przerośnięty (Silphium perfoliatum L) pochodzący z mikrorozmnażania. Gatunek ten oferuje potencjalnie cenny materiał dla przemysłu farmaceutycznego i spożywczego, ponieważ korzenie i kłącza zawierają inulinę a jej liście, kwiaty i kłącza - biologicznie aktywne substancje z grupy izoprenoidów. Jest to wieloletnia roślina, która może przystosować się 14
do różnych agrosystemów i być wykorzystywana jako pionier między innymi na potrzeby rekultywacji terenów w obszarach zdegradowanych przez przemysł i usługi komunalne (Klimont 2007). Wykazano, że pod wpływem nawadniania zawartości węgla organicznego (TOC), azotu ogółem (TN) były zróżnicowane, lecz ich istotność nie została potwierdzona statystycznie. McDaniel i in. (2013) uważają że zmiany zawartości węgla i azotu w glebie są słabo skorelowane ze zmianami wilgotnościowymi i temperaturowymi gleby. Stwierdzono także, że zarówno zawartości siarki ogółem, jak i siarczanów (VI), niezależnie od stosowanego nawadniania, były porównywalne. Oceniając ilość siarki, wg skali opracowanej przez IUNG, można stwierdzić, że gleba charakteryzowała się odpowiednio naturalną zawartością siarki ogółem oraz średnią siarczanów (VI). Udokumentowano, że mierzone zmiany aktywności enzymatycznej gleby mogą być czułym parametrem aktywności biomasy drobnoustrojów, które szybko reagują na ilość wody w glebie. Stwierdzono, że aktywność arylosulfatazy w czarnej ziemi, nie zależała od zastosowanego nawadniania, ale była zróżnicowana w poszczególnych sezonach wegetacyjnych rożnika. Mianowicie jej aktywność w glebie pobranej w drugim roku badań była o ok. 80% większa niż oznaczona w glebie pobranej w pierwszym roku badań. Widać wyraźnie, że aktywność arylosulfatazy nie jest stała, lecz zmienia się dynamicznie. Wynika to z heterogenicznego składu związków zawierających siarkę i złożoności procesu jej przemian, wzajemnych przekształceń różnych from siarki, zachodzących procesów mineralizacji - immobilizacji. Uzyskano ujemną korelację pomiędzy opadami deszczu a aktywnością arylosulfatazy (r=-0,962; p 0,05). Można zatem przypuszczać, że nastąpiła na skutek wysokiej wilgotności gleby, inhibicja procesów hydrolizy estrów siarczanowych w materii organicznej zawierającej siarkę. Wykazano natomiast wyższą aktywność rodanazy, w glebie nawadnianej, w pierwszym roku badań i to nawet o 59% w porównaniu do obiektów kontrolnych. Wynika to ze wzmożonych procesów przekształcania S 2O 2-2- 3 SO 3 i sugeruje dużą czułość tego enzymu na warunki wilgotnościowe gleby. Należy podkreślić, że maj badanego roku, charakteryzował się niskimi opadami a czerwiec wykazywał ich o 60 % więcej w porównaniu do wielolecia. Wzrost wilgotności gleby prawdopodobnie, przyczynił się do wzrostu i rozwoju grzybów, które uważane są za źródło rodanazy w glebie (Szajdak; 1996). Grayston i Wainwraight (1988) uważają, że w to właśnie grzyby odgrywają znaczą rolę w utlenianiu siarki w glebie. Aktywność enzymatyczna gleby dostarcza zatem informacji o funkcjonalnym zróżnicowanych mikroorganizmów bez konieczności badania ich grup taksonomicznych (Rodrigez Loinaz i in; 2008). Funkcjonalna redundacja społeczności drobnoustrojów, czyli bioróżnorodność 15
gatunków mających wpływ na dany proces, jest zjawiskiem powszechnym w glebie (Alison i Martiny; 2008). Brak istotnych różnic pomiędzy zawartością siarki ogółem oraz siarczanowej (VI) w badanej glebie, sugeruje, że procesy mineralizacji i immobilizacji siarki przebiegały równolegle, a zmiany aktywności badanych enzymów wydzielanych przez różne mikroorganizmy świadczą o ich zdolnościach adaptacyjnych. W badaniach potwierdzono, że dostępność wody silnie wpływa na aktywność mikrobiologiczną gleby i skład mikroorganizmów w niej bytujących (Geisseler i in.; 2011). Szczegółowy cel badań 4: Analiza stosowania nawożenia mineralnego, biostymulatora, siarki elementarnej w kontekście aktywności arylosulfatazy, rodanazy oraz zawartości siarczanów w glebie i ich pobrania przez rzepak. Wyniki badań na ten temat zostały ogłoszone w pracy (6 umieszczonej w osiągnięciu naukowo-badawczym): Soil enzyme activity and sulphur uptake by oilseed rape depending on fertilization and biostimulant application Siwik-Ziomek A., Szczepanek M. 2018: Acta Agriculturae Scandinavica, Section B Soil & Plant Science, Jednym ze sposobów na poprawienie warunków pobierania składników mineralnych przez rośliny staje się stosowanie biostymulatorów, które wspierają wzrost roślin i chronią je przed warunkami stresogennymi (Billard i in.; 2014). W ramach tego zadania badawczego rośliną testową był rzepak ozimy, który jest najważniejszą rośliną oleistą uprawianą w Polsce (Rosiak; 2018). Ponad 40% masy nasion to olej. Gatunek ten charakteryzuje się szczególnie wysokim zapotrzebowaniem na siarkę, która kształtuje plon nasion oraz wpływa na zawartości białka, tłuszczu i glukozynolanów w nasionach, a także udział poszczególnych kwasów tłuszczowych w oleju (Malhi i in.; 2007). W literaturze brakuje informacji dotyczących oddziaływania biostymulatora i stosowanego nawożenia NPK w układzie nawożenie, biostymulator - zawartość siarczanów (VI) enzymy arylosulfataza, rodanaza z uwzględnieniem wskaźnika wydajności odzysku siarki (RE). Wskaźnik ten obliczono wzorując się na badaniach dotyczących nawożenia azotem (Salvagotii i in; 2009) RE = (Suptake Fert - Suptake Unfert)/ S applied, gdzie Suptake Fert to pobranie S z obiektów nawożonych siarką elementarną i Suptake Unfert pobranie siarki z obiektów nie nawożonych siarką, S applied dawka siarki. Interesującym wydaje się poznanie możliwości nawozowych siarki elementarnej stosowanej w nawożeniu rzepaku i aplikowanej w postaci Wigor S. Trzyletnie doświadczenie przeprowadzono w Stacji Badawczej w Mochełku na glebie płowej, gdzie wierzchnia warstwa charakteryzowała się średnią zawartością dostępnej siarki (13 mg S kg - 16
1 ), lekko kwaśnym odczynem (ph w 1M KCl 5,7-6,1); stosunkowo niską zawartością węgla organicznego 7,50-7,80 g kg -1 i azotu ogółem 0,69-0,75 g kg -1. Oprócz nawożenia siarką, zastosowano także nawożenia NPK na dwóch poziomach: wysoki (N 180P 70K 160): 180 N, 70 P, 160 K (kg ha -1 ) lub niski (N 144P 35K 66): 144 N, 35 P, 66 K (kg ha -1 ). Biostymulator Kelpak pozyskiwany jest z makroglonów (Eclonia maxima Osbeck) i zawiera fitohormony: auksyny i cytokininy (odpowiednio 11 i 0,031mg. l -1 ). Badania przeprowadzono w różnych fazach rozwojowych rzepaku ozimego odmiany Chagall. 2- Zawartość SO 4 w badanej glebie mieściła się w zakresie od 6,60 do 21,2 mg. kg -1.Wykazano, że istotnie najwięcej tych jonów w glebie określono w fazie rozwoju owoców rzepaku po zastosowaniu składników pokarmowych w proporcji N:P:K jak 1:0,39:0,73. Natomiast niższą zwartość siarczanów, niezależnie od badanej fazy rozwojowej, stwierdzono po aplikacji składników nawozowych w zawężonym, następującym stosunku N:P:K tak jak 1:0,24:0,46. Należy również 2- wyraźnie zaznaczyć, że nie określono kierunkowych zmian zawartości SO 4 w glebie pod wpływem stosowania siarki elementarnej oraz biostymulatora w postaci Kelpaku. Zatem w celu dbałości o odpowiednie zawartości siarki przyswajalnej dla rośliny nie należy w uprawie rzepaku, rośliny o wysokich potrzebach w stosunku do siarki, zalecać stosowania siarki w postaci siarki elementarnej. W badaniach własnych stwierdzono efekt synergiczny działania siarki z innymi stosowanymi makroskładnikami. Łączne stosowanie wyższej dawki NPK wraz z siarką wpływało na zwiększenie pobrania siarczanu przez rzepak zwłaszcza w fazie jego dojrzewania owoców. Wynikało to zapewne z większego pobrania NPK, które wpłynęło na wzrost pobrania siarki. Potwierdza to znaczenie nawozowe siarki w rozwoju rzepaku i wysokie potrzeby pokarmowe tego gatunku. Pokojska (2004) w swoich badaniach wykazała, że siarka zastosowana w nawożeniu nie zmieniła rozlokowania poszczególnych składników pokarmowych, a jedynie zwiększyła ich ilość zgromadzoną w roślinach dojrzałych. Ponad 70% azotu pobranego przez dojrzały rzepak stwierdzono w nasionach, co potwierdza wcześniejsze doniesienia o intensywnej redystrybucji tego składnika z organów wegetatywnych do generatywnych. Ponad 80% pobranego fosforu i około 50% siarki także ulegało akumulacji w nasionach. Natomiast ponad 80% potasu pozostawało w słomie rzepaku, co wynika z ich koncentracji w tych organach i funkcji fizjologicznych. Zmienność wartości wskaźnika wydajności odzysku wskazuje na duży wpływ zastosowanego nawożenia na efektywność odzysku siarki z nawozu Wigor S. W pracy wykazano wpływ działania Kelpaku na wartość RE w uprawie rzepaku po zastosowaniu wyższego poziomu nawożenia NPK. Po zastosowaniu tego nawożenia, na etapie dojrzewania owoców wskaźnik odzysku siarki był 2,6 razy wyższy niż przy kwitnieniu. Najprawdopodobniej Kelpak korzystnie wpłynął na system 17
korzeniowy rzepaku i tym sposobem wpłynął na wykorzystanie siarki z nawozu. Rolą biostymulatorów jest głownie ochrona roślin przed stresem, jak też ułatwianie im regeneracji i odzyskania wigoru po zadziałaniu niekorzystnych czynników (Billard i in.; 2014). Wykazano również wpływ zastosowanego nawożenia NPK na aktywność badanych enzymów w badanych fazach wegetatywnych rzepaku. Okazało się, że aktywność arylosulfatazy stopniowo wzrastała w okresie wegetacyjnym i w fazie dojrzewania owoców rzepaku była większa o 63% po zastosowaniu niższej dawki nawożenia N 144P 35K 66, i o 67% po aplikacji wyższej dawki N 180P 70K 160, w porównaniu do jej aktywności oznaczonej w fazie kwitnienia. Wyższa aktywność arylosulfatazy w tym momencie może wynikać z faktu, że korzenie roślin mogą także generować i wydzielać sulfatazę. Zdolność do wydzielania sulfataz różni się u poszczególnych gatunków roślin, i jest wyższa u Brassica (McGrath i Zhao; 1996). Stwierdzono, że po zastosowaniu wyższej dawki N 180P 70K 160 aktywność rodanazy była większa w glebie bez nawożenia siarką elementarną. Takich tendencji nie zauważono przy stosowaniu niższej dawki NPK, gdzie aktywność tej transferazy w fazie kwitnienia i dojrzałości owoców rzepaku była wyższa w glebie po aplikacji siarki elementarnej (Wigor S). Uzyskano istotne, dodatnie korelacje pomiędzy pobraniem siarki a aktywnością rodanazy (r=0,440; p 0,05) oraz pomiędzy pobraniem siarki a aktywnością arylosulfatazy (r=0,250; p 0,05). Aktywność arylosulfatazy była istotnie dodatnio skorelowana z zawartością siarczanów (r=0,260; P<0,05) oraz ujemnie z aktywnością rodanazy (r=-0,220; p 0,05). Przedstawione wyniki świadczą jednak, że wykorzystanie siarki nawozowej przez rośliny uprawne jest procesem złożonym, zależnym od wielu czynników. Nie stwierdzono oddziaływania preparatu Kelpak na aktywność badanych enzymów, co można tłumaczyć tym, że preparat ten wpływa na właściwości antyoksydacyjne roślin (Zhang i Ervin; 2004), działa jednocześnie na system korzeniowy roślin ale nie stymuluje aktywności enzymów glebowych. Zmienny wpływ biopreparatów na wzrost i plonowanie rzepaku ozimego, według Matysiak i in. (2012), uzależniony jest od terminu aplikacji oraz warunków pogodowych w sezonie wegetacyjnym uprawianej rośliny. Przeprowadzone badania zwracają uwagę na istotne znaczenie zachowania równowagi pomiędzy ilością wprowadzonej a wyniesionej z plonem dostępnej dla roślin siarki z uwagi na utrzymanie długoterminowej stabilności systemu glebowego. II.3.3. Podsumowanie wyników prac dokumentujących osiągnięcie naukowe W niniejszym osiągnięciu naukowym dokonano oceny wpływu różnych zabiegów agrotechnicznych na zawartość siarki w glebie oraz aktywność arylosulfatazy i rodanazy, które 18
uczestniczą w przemianach tego pierwiastka do formy przyswajalnej dla roślin. Znajomość stanu zawartości siarki bioprzyswajalnej w glebie może być przyczynkiem do działań mających na celu zapewnienie odpowiedniego wzrostu i rozwoju roślin uprawnych, a w konsekwencji uzyskanie plonu o dobrej jakości. Innowacyjność badań wynika z faktu podjęcia próby szeroko rozumianej oceny zmian zawartości siarki w glebie w aspekcie aktywności arylosulfatazy i rodanazy. Pomimo przeprowadzenia licznych badań, w literaturze naukowej brakuje jednoznacznych trendów i kompleksowej oceny dotyczącej zależności pomiędzy aktywnością enzymatyczną a przemianami tego pierwiastka na tle stosowanych czynników agrotechnicznych. Stwierdzono, że wieloletnie oddziaływanie obornika stymuluje aktywność arylosulfatazy w glebie płowej, niezależnie od badanego zmianowania (wzbogacające lub zubażające glebę w materię organiczną). Zauważono również, że wraz ze wzrostem dawki obornika zwiększała się aktywność arylosulfatazy. Wykazano również wyższą aktywność tej hydrolazy w glebie spod płodozmianu wzbogacającego w materię organiczną. Większa aktywność enzymu w glebie spod tego zmianowania sugeruje, że aktywność jego determinowana jest zawartością masy organicznej w glebie oraz gatunkiem uprawianych roślin. W przypadku uprawy kukurydzy większą aktywność tego enzymu stwierdzono po zastosowaniu azotu w dawce 100 kg. ha -1. Natomiast w uprawie pszenicę i jęczmień jarego najwyższą jego aktywność określono w glebie, gdzie nie stosowano azotu. Nie wykazano kierunkowych zmian dotyczących aktywności tego enzymu w glebie spod uprawy zbóż po zastosowaniu nawożenia mineralnego. Zaobserwowano, też że niska zawartość siarczanów (VI) w glebie pobudza aktywność mikroorganizmów glebowych do wytwarzania sulfataz lub aktywacji tych enzymów. Zatem końcowy produkt reakcji hydrolizy estrów siarczanowych może blokować przebieg tej reakcji. Potwierdzeniem tego faktu jest również stwierdzenie najwyższej aktywności arylosulfatazy w glebie spod uprawy jęczmienia i pszenicy, gdzie nie stosowano nawożenia siarką. Udokumentowano, że aktywność tego enzymu w glebie spod uprawy rzepaku zależała od fazy fenologicznej rośliny. Wykazano, że aktywności tej hydrolazy zarówno w okresie kwitnienie jak i dojrzewania owoców były porównywalne i nie zależały od wysokości dawki NPK. Zatem można wyraźnie zaznaczyć, że aplikacja składników nawozowych w proporcji N:P:K jak 1:0,24:0,46 czyli w stosunku zawężonym wpływa podobnie na aktywność tego enzymu w porównaniu z wprowadzeniem składników nawozowych w rozszerzonej proporcji (1:0,39:0,73). Wpływ wilgotności gleby jest podstawowym parametrem decydującym między innymi o ilości i jakości biomasy drobnoustrojów, które wpływają na zmianę aktywności enzymatycznej, co potwierdzono w osiągnięciu naukowym. Stwierdzono, że aktywność hydrolazy określona w czarnej ziemi, na której uprawiano rożnik, nie zależała od zastosowanego nawadniania. Była 19
natomiast zróżnicowana w poszczególnych sezonach wegetacyjnych. Uzyskano istotną ujemną korelację pomiędzy ilością opadu atmosferycznego a aktywnością arylosulfatazy, co świadczyć może o inhibicji procesów hydrolizy estrów siarczanowych materii organicznej zawierającej siarkę pod wpływem wysokiej wilgotności gleby. Dodatkowo wykazano wyższą aktywność rodanazy, zwłaszcza w glebie nawadnianej w pierwszym roku badań. Zwiększenie aktywności tego enzymu zaobserwowano również w glebie spod uprawy rzepaku, po zastosowaniu wyłącznie wyższego poziomu NPK. Należy zaznaczyć, że stosowanie siarki elementarnej, na tle wyżej wymienionego nawożenia, nie skutkowało zwiększeniem aktywności badanego enzymu. Aktywność badanych enzymów jest zależna od zawartości siarki w glebie poddanej zabiegom agrotechnicznym, i są one wektorem informacji na temat stanu gleby, a także o naturze jej zmian, pozwalając na szybki monitoring. Wykazano, że określone zawartości siarczanów (VI) w badanych glebach to ilość charakterystyczna dla większości gleb użytkowanych rolniczo w Polsce. Po zastosowaniu obornika w dawce 60 t ha -1 przy uprawie roślin w różnych zmianowaniach zawartość tych jonów była największa w glebie. Zgodnie z Dyrektywą Azotanową, w żadnym wypadku nie można zalecać w uprawie roślin, tak wysokiego nawożenia naturalnego z uwagi na to, że z masą nawozu prawie dwukrotnie przekroczona jest norma dla azotu (170 kg N. ha -1 ). W związku z powyższym zdecydowanie w uprawie roślin, w warunkach gleb Polski, siarkę należy traktować jako czwarty składnik pokarmowy. Nawet w uprawach roślin o niewielkich wymaganiach względem tego pierwiastka, w celu uzyskania dobrych jakościowo i ilościowo plonów, należy uwzględnić nawożenia siarką. W badaniach wykazano ze pszenica i jęczmień, uprawiane na glebach płowych powinny być wzbogacone w siarkę w dawce 10-15 kg S. ha -1.W uprawie kukurydzy, ze względu na dużą ilość zielonej masy, w planie nawozowym także powinna być uwzględniona siarka. Natomiast w uprawie rzepaku, rośliny o wysokim zapotrzebowaniu na siarkę, niezbędne jest skorelowanie zarządzania nawożenia azotem i siarką, aby uzyskać wysoką efektywność wykorzystania zarówno siarki jak i azotu. Wykazano, że w uprawie tej rośliny nie należy zalecać nawozu, w którym siarka występuje w formie elementarnej, bowiem nie określono kierunkowych zamian zawartości siarczanów po jej aplikacji, a ich zawartość była na niskim poziomie. Zawartość siarki bioprzyswajalnej nie zawsze nie była skorelowana z zawartością S og, czy N og, C org lub wartością stosunku C:S w glebie. Najprawdopodobniej jest to konsekwencją występowania różnej ilości substancji organicznej, która jest wypadkową stosowania obornika, uprawy roślin w zmianowaniu ograniczającym lub wzbogacającym glebę w materię organiczną oraz warunków decydujących o procesach mineralizacji-immobilizacji. 20
Osiągniecie naukowe wnosi nowe wartości poznawcze i jest wartością dodaną do obszaru na temat analizy zmian zawartości różnych form siarki w glebie, w aspekcie stosowania różnych zabiegów agrotechnicznych z uwzględnieniem szeroko rozumianego nawożenia. Uzyskane wyniki pokazują jednoznacznie, że gleb uprawnych nie należy traktować jako jednorodnego zbioru. Konieczne jest stosowanie bardzo zindywidualizowanego podejścia do ich badań i oceny nawożenia w zależności od typu gleby, rodzaju uprawianych roślin oraz warunków nawadniania. Podejście takie jest uzasadnione, ponieważ aktywność enzymatyczna gleby determinowana jest nie tylko przez aktualne warunki panujące w glebie, ale również przez szereg zdarzeń je poprzedzających oraz rodzaj użytkowania gleb. Wpływ nawożenia na enzymy glebowe jest dość złożony i trudny w interpretacji, ponieważ zależy od wielu czynników, takich jak: rodzaj stosowanego nawożenia, jego dawka i czas aplikacji, zasobność gleby w dany składnik, stosowanie w tym samym czasie innych nawozów, uprawianej rośliny oraz charakteru samego enzymu. Generuje to konieczność stałego monitoringu gleb uprawnych pod względem zawartości siarki i aktywności enzymów biorących udział w jej przemianach, aby zapewnić rozwój zrównoważonych systemów gospodarowania na terenach rolniczych, pozwalających na ograniczenie niekorzystnych zmian warunków glebowych. II.3.4. Bibliografia 1. Acosta-Martinez V, Cruz L., Sotomayor-Ramirez D., Perez-Alegria L. 2007. Enzyme activities as affected by soil properties and land use in a tropical watershed. Appl Soil Ecol. 35:35 45. doi:10.1016/j.apsoil.2006.05.012 2. Allison SD, Vitousek PM. 2005. Responses of extracellular enzymes to simple and complex nutrient inputs. Soil Biol Bioch. 37, 937 944. 3. Allison SD, Martiny JBH. 2008. Resistance, resilience and redundancy in microbial communities. PNAS 105:11512 11519. doi:10.1073/pnas.0801925105 4. Barczak B. 2010. Siarka jako składnik pokarmowy kształtujący wielkość i jakość plonów wybranych roślin uprawnych. Wyd. UTP Bydgoszcz, 1-131. 5. Billard V, Etienne P, Jannin L, Garnica M, Marcia-Mina JM, Yvin JC, Ourry A. 2014. Two biostimulants derived from algae or humic acid induce similar responses in mineral content and gene expression of winter oilseed rape (Brassica napus L.). J Plant Growth Regul. 33:305 316. 6. Boreczek B. 2001. Bilans siarki w uprawie wybranych roślin polowych. Fragm Agron. 18(4): 118-133. 7. Brodowska M, Kaczor A. 2007. Zawartość różnych form siarki w pszenicy i rzepaku w warunkach zróżnicowanego zaopatrzenia gleby w siarkę, wapń i magnez. Proceed ECOpole. 1: 103 108 8. Deng S, Dick R. 1990. Sulfur oxidation and rhodanese activity. Soil Sci.150, 552 560. 9. De Kok LJ, Castro A, Durenkamp M, Stuiver CEE, Westerman S, Yang L, Stulen I. 2003. Sulphur in plant physiology. Nawozy Nawoż. 2(15): 55 80. 10. Cregut M, Piutti S, Vong PC, Slezack-Deschaumes S, Crovisier I, Benizri E. 2009. Density, structure, and diversity of the cultivable arylsulfatase-producing bacterial community in the rhizosphere of field grown rape and barley. Soil Biol Biochem, 41 (4): 704-710 11. Dubuis PH, Marazzi C, Städler E Mauch F. 2005. Sulphur deficiency causes a reduction in antimicrobial potential and leads to increase disease susceptibility of oilseed rape. J Phytopathol.153, 27-36. 21